机械超导开关的制作方法
【专利摘要】一种机械操作的超导开关，包括两个超导线(10,12)，每个超导线的相应端部嵌入相应的超导材料块(13,14；42,52)中。机械装置(24,16,18,20；60)设置用于驱动两个块的相应接触表面(15)彼此物理接触以及用于使两个块的相应接触表面分离。
【专利说明】机械超导开关
【技术领域】
[0001] 超导MRI磁体由串联电连接的若干超导线的线圈形成，并通常容纳在具有低温致 冷器的低温恒温器内，低温致冷器将磁体冷却至低于线圈材料的超导转变的温度。
【背景技术】
[0002] 许多常规设计包括液态致冷剂浴，比如液态氦，其通过低温致冷器维持在其沸点 之下。
[0003] 然而，更多新近设计寻求例如通过使用冷却回路或"干"磁体（还称为无致冷剂磁 体）来减少或消除致冷剂（比如氦）的消耗，在干磁体中，不使用液态致冷剂。
[0004] 有必要提供一种横跨线圈的串联连接终端的开关。在一个状态下（"接通"状态）， 开关应当是超导的，以完成穿过线圈的超导回路，使得电流可持续地在磁体中流动。在另一 状态下（"断开"状态），开关应当是电阻性的，以允许通过连接至磁体的为此目的的电源单 元而将电流引入线圈或从线圈引走电流。常规地，所有超导开关要求制造辅助超导线圈以 用于实现开关操作。辅助线圈通常由具有基体的线形成，所述基体一般由电阻性CuNi合金 制成。这使得开关易受温度和线不稳定性影响。线和细丝大小在开关抵抗磁通跳跃的稳定 性方面有重要作用，在磁通跳跃中，由于在细丝之间运送电流的基体材料的电阻耗散，单个 细丝中的小猝熄（quench)可传播至线中的另一细丝。
[0005] 常规超导开关具有有限的断路电阻，因此限制可获得的缓变率（ramp rate)，并在 磁体的激励和去激励期间消散热量。常规开关使用与辅助超导线圈热接触的加热器来断开 和闭合。该加热器影响制冷器上的热负荷以及热的消散。例如，某一常规设计包括具有约 5-50 Ω "断开"电阻的辅助线圈。这在上升（ramp up)期间和下降（ramp down)期间消散 能量。本身位于开关上的加热器进一步在上升或下降期间消散能量。这种程度的加热远超 过通常4. 2K低温致冷器的冷却能力。在具有液态致冷剂浴的低温恒温器中，通过将开关浸 没在液态浴中来提供所需冷却。
[0006] 用于干磁体的驱动器要求关于超导开关的不同途径，因为在4. 2K下的冷却能力 十分有限，通常为1.2W。
[0007] 下列文献包含与本发明背景有关的技术信息：
[0008] Makoto Takayasu, Electric Characteristics of Contact Junctions Between NbTi Multifilament ary Wires, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 9，No.3，1999 年 9 月。
[0009] Makoto Takayasu, Toshiaki Matsui，以 及 Joseph V.Minervini,Negative-Resistance Voltage-Current Characteristics of Superconductor Contact Junctions for MacroScale Applications,IEEE Transactions on Applied Superconductivity，Vol. 13, No. 2, 2003 年 6 月。
[0010] S. Ohtsuka，Η· Ohtsubo, 1. Nakamura，J. Suehiro，以及 Μ· Hara，Characteristics of NbTi mechanical persistent current switch and mechanism of superconducting connection at contact, Cryogenics38(1998) 1441-1444。
[0011] 2002 年 12 月 19 日的 US2002/0190824A1:Persistent Current switch and method for the same。
[0012] CH0DEND0 MAGNET KK(CHOD-C) ;FURUKAWA ELECTRIC ⑶LTD(FURU-S)的于 1995-08-29 的 JP7231125-A :Persistent current switch examination method e.g. for magnetic-levitation train,其涉及通过在两端承载的第二电源使周向电流和DC电流沿 相同方向流动至恒定电流开关。
[0013] HITACHI LTD(HITA-S)的于 1994-12-22 的 JP6350148-A Persistent current superconductive device for energy storage,其包含了超导线、电线和恒定电流机械开 关。
[0014] CHUBU DENRY0KU KK(CHUB-S) ;CHUBU ELECTRIC POWER ⑶（CHUB-S) ;HITACHI LTD(HITA-S)的于 1996 年 7 月 2 日的 US 5, 532, 638 :Superconductive energy storage device for the same。
[0015] E M Pavaoe Critical Temperatures of Superconducting Solders. MIT. June2007。
[0016] 中国科学院的 CN100595856C。
【发明内容】
[0017] 因此，本发明解决了上述问题，并旨在提供一种与超导磁体一起使用的超导开关， 该超导开关不会遭受高热消散和有限"断开"电阻的问题。
[0018] 相应地，本发明提供了所附权利要求书中所限定的设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 通过参考附图对本发明中仅以示例给出的某些示例的下列描述，本发明的上述和 其它目的、特征和优点是变得更加明显，附图中：
[0020] 图1示出根据本发明的线性致动的机械超导开关的示例；
[0021] 图2-5示出用在本发明实施例中的具有接触表面的替代类型块；
[0022] 图6-7示出根据本发明的旋转致动的机械超导开关的示例，其中，图6示出沿图7 的线VI-VI的部分横截面。
【具体实施方式】
[0023] 根据本发明，超导开关不需要分离的辅助线圈。相反地，该开关使用形成超导磁体 本身的线圈的线端而制成。本发明的开关提供了机械操作的开关触头，以提供形成超导磁 体本身的线圈的线端之间的电导。
[0024] 用于磁体线圈的超导线通常具有铜基，从而提供比常规超导开关的典型CuNi基 线更好的稳定性。
[0025] 开关断开和闭合状态使用机械动作，因此，不需要加热器，并可具有几乎无限的 "断开"电阻。这使任何热消散最小，并增加了用于激励和去激励磁体的可获得的缓变率。 低温致冷器的冷却能力相应地适用于冷却磁体，并补偿磁体上的其它热负荷。
[0026] 在示例中，本发明的机械超导开关可以如下实现。
[0027] 将来自磁体线圈"起点"的引出线接合在其本身上，或者接合至另一超导体。"接 合在其本身上"意味着将线中的超导细丝暴露，缠绕、编织或另外保持在一起，然后像接头 制成另一超导线那样进行处理，只不过仅涉及该单根线而已。在示例过程中，细丝镀有锡和 铟。类似地，将来自磁体线圈的"末端"的引出线也接合在其本身上。可选地，超导线的另 一部件可置于线圈"起点"或"末端"与接头之间。
[0028] 然后，将每个引出线的末端放置在相应的模具中。接着将BiPb或具有可容许熔点 的类似超导材料灌注进模具中，以在各引出线末端形成超导材料块。本发明的机械开关通 过将这些块按压成物理接触并物理地分离这些块而进行操作。当两个块被结合在一起时， 开关闭合，可在恰当的温度下实现磁体的持久性。当所述块彼此分离时，开关断开，从而对 磁体进行激励或去激励。
[0029] 根据本发明的方面，形成磁体的起点和末端的线用于形成开关，或者至少使用常 规构造的线。这些线的稳定性和性能最优，并通常具有铜基，铜基使这些线十分稳定。本发 明的开关避免了对制造超导开关的特殊线的需求，并依靠已证实的接合技术。
[0030] 已说明了根据本发明的开关操作。在示例中，几牛顿米的夹紧力用于将BiPb块压 在一起，BiPb块各包含位于铜基中的NbTi细丝。已说明了在1000A和1. 2T背景场下优于 1〇_13Ω的持久性。该结果用作许多常规磁体装置中的超导开关是绰绰有余的。在其它测试 中，在仅手指紧压的夹紧力情况下，在0Τ背景场300Α下以及0. 8Τ背景场50Α下获得优于 1〇_13Ω的持久性。
[0031] 这被看作远远优于由 S. Ohtsuka, Η. Ohtsubo, Τ. Nakamura, J. Suehiro,以 及 M. Hara, Characteristics of NbTi mechanical persistent current switch and mechanism of superconducting connection at contact, Cryogenics38(1998) 1441-144 4获得的结果。在0T背景场中，使用NbTi块，在1(Γ9Ω电阻的情况下，作者最多获得20A。 在ΙπιΩ的接触电阻情况下，作者以大于400Ν的按压力获得200Α。
[0032] 需要外部控制装置来控制开关的断开，开关定位在具有磁体的低温恒温器内。 可从低温恒温器外部实行控制。优选地，使用电动操作机构，常规构造的密封的导流件 (current lead-through)将控制信号运送进低温恒温器中。或者，可使用机械、液压、气动 或压电装置及类似装置。
[0033] 相应地，本发明提供了一种机械操作的超导开关，其中，触头被压在一起，以在超 导设备中，尤其在磁体中产生持久电路。优选地，至少一个触头使用可延展的超导材料（化 学地或冶金上地连接到待转换的主超导线）形成，比如BiPb、NbTi、Nb。待转换的超导线本 身可包括任何合适材料的超导细丝，比如NbTi、Nb 3Sn、MgB2或高温超导体。
[0034] 触头或至少接触表面可容纳在真空或惰性大气中，以保存表面状态。真空或惰性 大气可以是磁体的工作环境，或者分离地包围，优选地防止触头受到来自制造点的污染。诸 如碳的化学吸气剂可结合进外罩中以帮助保存大气。
[0035] 现在参考附图讨论许多特定装置。
[0036] 图1示出第一示例，其中，超导线10、12分别嵌入上部超导材料块13和下部超导 材料块14(提供接触表面15)内。优选地，至少一个块的材料是可延展的超导材料，比如 BiPb、NbTi、Nb。上部外罩件16和下部外罩件18保留块，波纹管20提供具有可变高度的密 封外罩21。必要时可设置形成外罩一部分的电绝缘体22,以防止线10、12之间经由外罩材 料的电导。机械致动30可迫使接触表面15电接触，并再次分离。尽管示意性地示出机械 致动器24,但是任何恰当的装置都可用于使两个外罩件16、18朝向彼此移动，并再次分开， 以提供开关的闭合和断开。例如，处于某一压力下的气体可密封在外罩21内（外罩本身定 位在另一容器内，容器可包含处于高于或低于某一压力的压力下的气体），以驱动接触表面 15在一起或分开。电绝缘材料的对准管23可设置成将上部块13和下部块14引导成彼此 对准接触。
[0037] 图2示出处于分隔状态的上部超导材料块13和下部超导材料块14(提供接触表 面 15)。
[0038] 图3示出穿过一组替代的上部超导材料块131和下部超导材料块141的横截面。 在该示例中，互补的截头圆锥形突起和凹槽设置在相应的接触表面15上。如果施加作用在 箭头30方向上的力，则作用在圆锥形接触表面之间的压力会远高于平坦接触表面情况下 的压力，从而改进了处于其"接通"位置的开关的电气特性。
[0039] 图4示出穿过一组替代的上部超导材料块132和下部超导材料块142的横截面。 在该示例中，互补的部分球形突起和凹槽设置在相应的接触表面15上。如果施加作用在箭 头30方向上的力，则作用在部分球形接触表面之间的压力在某些地点会远高于平坦接触 表面情况下的压力，从而改进了处于其"接通"位置的开关的电气特性。适当时可提供其它 形状的互补凹槽和突起。
[0040] 图5示出穿过一组替代的上部超导材料块133和下部超导材料块143的横截面。 在该示例中，比较硬的超导材料颗粒或珠子140包含在至少一个块133中。当块133和143 例如通过在箭头30方向上操作的力而压在一起时，这些颗粒或珠子140压进另一块143的 更具弹性的材料中，产生对应的突腔144。作用在颗粒或珠子140与块143之间的接触点的 十分大的压力确保了有效的电接触。
[0041] 使用图1-5所示的线性致动装置，本领域技术人员可设想其它类似装置。
[0042] 图6示出另一类型的实施例，其中，可采用旋转致动。在该实施例中，第一超导线 40嵌入第一超导材料块42中。该块具有比较复杂的形状，具有大致柱形壁44,大致柱形空 腔46包含在柱形壁中。至少一个突起48设置在空腔壁上。可设置闭合端49。第二超导线 50嵌入第二超导材料块52中。该第二块也具有比较复杂的形状，具有大致柱形壁54,柱形 壁可具有包含在其中的大致柱形空腔56或者可以是实心的。至少一个突起58设置在壁54 上。可设置闭合端59。第二块至少部分地位于第一块的空腔内，使得相应的突起（48, 58) 在周向方向上重叠。
[0043] 致动器60可设置在第一和第二块42、52中的一个或另一个上，或者设置在第一块 和第二块两者上，用于使其中一个块相对于另一个块绕与第一和第二块的柱形壁轴线对准 的轴线62旋转。优选地，第一块42的突起48数量等于第二块的突起58数量。
[0044] 该实施例的机械开关由两个块绕轴线62的相对旋转致动。在所示位置，两个块保 持分开，且未电接触。通过驱动所述块中的一个或另一个块或两者相对彼此绕轴线62旋 转，第二块上的突起58中的至少一个被驱动成与第一块上的对应突起48机械和电接触，从 而将开关放置在其"接通"位置。通过在相反情况下绕轴线62相对旋转，突起再次彼此分 隔，开关进入其"断开"状态。真空或惰性大气优选地设置在所述块周围。所述块可以通过 任何合适装置绕轴线62驱动，合适装置是例如电机械、机械、液压、气动或压电的。
[0045] 可选地，可用电绝缘层覆盖所述块42、52中的一个或两个块的突起的某些表面。 相应地，所述块可在一个方向上绕轴线62被驱动至最大范围以闭合开关，并且如果提供电 绝缘层以避免两个块（当在相反方向上驱动时）的突起之间的任何接触，所述块可在相反 方向上被驱动至最大范围以断开开关。
[0046] 在替代装置中，除了平行于轴线62延伸的突起48、58,可给第一和第二块之间的 接触表面提供螺旋或圆锥螺杆的互补螺纹表面。图7示出沿实施例的线VI - VI的横截面， 其中，第一和第二块上的突起48、58刻有螺纹。与参考图6所讨论的操作类似，这些螺纹表 面被分段，以提供具有有限旋转的通-断操作。在图7所示实施例中，螺纹可逐渐变细以确 保两个块之间的有限旋转和紧密配合。相邻的螺纹表面15可支承在彼此上，以提供两个块 之间的电接触，所述块可在相反的相对方向上旋转，以分离所述块，并将开关置于其"断开" 状态。
[0047] 在另一组实施例中，比如图8所示，第一块80布置成绕限定在第二块84空腔内的 轴线82旋转。在该实施例中，块80和空腔86的横截面是椭圆的。通过绕轴线82旋转块 80,块的表面15和空腔可产生电接触，并可通过在相反方向上的旋转而分离。其它实施例 以类似方式操作，比如图9所示。空腔中的块的横截面不必是卵形的。图9的实施例示出 块和空腔的横截面是矩形的示例。假设块具有旋转成与空腔壁接触和旋转脱离与空腔壁的 接触的有限范围，可以使用横截面的组合。
[0048] 图10示出本发明的另一类型实施例的示例。在此，块102、104相对彼此保持静止， 螺纹超导轴环106设置并可通过相对旋转被驱动成在两个块之间接触和脱离。优选地，电 绝缘延伸部108设置成当轴环旋转脱离块之间的电接触时，确保机械对准。该实施例是另 一系列实施例的示例，其中，块本身不会移动，连接的超导物体移入两个块之间形成接触或 移出两个块之间脱离接触。该实施例的变型对本领域技术人员来说是明显的。
[0049] 在某些实施例中，可以应用参考图3-5讨论的改进。图6-10示出接触表面15,这 些可以通过提供截头圆锥凹槽和突起得以改进，如参考图3所讨论的，或者可以通过提供 部分球形凹槽和突起得以改进，如参考图4所讨论的。
[0050] 比较硬的超导材料的颗粒或珠子140可包含在块42、52之一中，如参考图5所讨 论的。作用在颗粒或珠子140与另一块之间的接触点的十分大的压力确保了有效的电接 触。可以使用其它类型的具有不同硬度的材料的复合混合物，以使点接触发生变形。
[0051 ] 在操作期间，可以施加振动形式的额外机械致动，以改善超导材料块之间的接触。
[0052] 为了解决由使用机械开关经由大电感负荷转换高电流而引起的可能高压损坏的 问题，合适类型的基于半导体的减振器优选地设置成防护损坏。
[0053] 在各情况下，本发明的机械超导开关优选地由用于冷却磁体的相同冷却装置冷 却。或者，单独的冷却装置可提供用于冷却开关。
[0054] 本领域技术人员应明白，本文提及的材料仅以示例的方式给出，可使用具有恰当 物理属性的其它材料。在所附权利要求的范围内，还可提供用于开关的替代机械装置。
【权利要求】
1. 一种机械操作的超导开关，包括两个超导线（10, 12)，每个超导线的相应端部嵌入 相应的超导材料块（13, 14 ;42, 52)中；以及机械装置（24, 16, 18, 20 ;60)，用于驱动两个块 的相应接触表面（15)彼此物理接触以及用于使两个块的相应接触表面分离。
2. 如权利要求1所述的机械操作的超导开关，其中，所述超导线是形成超导磁体的线 圈的端部。
3. 如权利要求1所述的机械操作的超导开关，其中，所述机械装置提供线性致动，以驱 动两个块形成彼此机械接触以及使两个块分离。
4. 如权利要求1所述的机械操作的超导开关，其中，所述机械装置提供旋转致动，以驱 动两个块形成彼此机械接触以及使两个块分离。
5. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，其中，至少一个块使用嵌入有 对应超导线的超导材料而形成，所述至少一个块的超导材料的展延性大于所述超导线的超 导材料的展延性。
6. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，其中，互补的突起和凹槽设置 在相应的接触表面（15)上。
7. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，其中，所述块中的至少一个块 包括超导材料的颗粒或珠子（140)，超导材料的颗粒或珠子的硬度大于对应块的材料的硬 度。
8. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，还具有控制装置，用于控制所 述开关的断开和闭合。
9. 如权利要求3所述的机械操作的超导开关，其中，上部外罩件（16)和下部外罩件 (18)保持相应块，波纹管（20)连接上部外罩件和下部外罩件，以提供具有可变高度的密封 外罩（22)。
10. 如权利要求9所述的机械操作的超导开关，其中，设置有形成所述外罩的一部分的 电绝缘件（22)，以避免所述线（10, 12)之间经由外罩材料的电传导。
11. 如权利要求4所述的机械操作的超导开关，其中： -所述块中的第一块（42)具有大致柱形壁（44)，所述柱形壁中包含有大致柱形空腔 (46)，而且至少一个突起（48)设置在所述空腔的壁上； -所述块中的第二块（52)具有大致柱形壁（54)，而且至少一个突起（58)设置在所述 壁上； -第二块至少部分位于第一块的空腔内，使得相应突起（48 ;58)在周向方向上重叠；以 及 -所述机械装置包括用于使一个块（42 ;52)相对于另一个块绕与第一和第二块的柱形 壁轴线对准的轴线（62)旋转的部件（60)。
12. 如权利要求11所述的机械操作的超导开关，其中，所述第一块（42)的突起（48)数 量等于所述第二块的突起（58)数量。
13. 如权利要求11或12所述的机械操作的超导开关，其中，所述块（42, 52)中的一个 或两个块的突起的某些表面由电绝缘层覆盖。
14. 如权利要求11-13任一项所述的机械操作的超导开关，其中，所述突起（48 ;58)平 行于所述轴线（62)延伸。
15. 如权利要求11-13任一项所述的机械操作的超导开关，其中，所述突起形成为螺旋 或圆锥螺杆的互补螺纹表面。
16. 如权利要求15所述的机械操作的超导开关，其中，所述螺纹表面是分段的。
17. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，具有围绕所述块的真空或惰 性大气。
18. 如上述权利要求任一项所述的机械操作的超导开关，其中，提供用于以振动形式额 外机械致动使用中的块的装置。
19. 如权利要求4所述的机械操作的超导开关，其中： -所述块的第一块（84 ;94)中包含有空腔（86 ;96); -所述块的第二块（80 ;90)至少部分位于第一块的空腔内，布置成在所述空腔内绕轴 线（82 ;92)旋转；以及 -所述机械装置包括用于使一个块（80 ;90)相对于另一个块绕所述轴线旋转的部件。
20. -种机械操作的超导开关，包括两个超导线（10, 12)，每个超导线的相应端部嵌入 相应的超导材料块（102, 104)中，其中，在使用时，所述块（102, 104)相对于彼此保持静止， 螺纹超导轴环（106)通过相对旋转被驱动成在两个块之间形成接触和脱离接触。
21. 如权利要求20所述的机械操作的超导开关，其中，所述螺纹超导轴环的电绝缘延 伸部（108)设置成当所述轴环旋转脱离所述块之间的电接触时确保所述块（102, 104)的机 械对准。
22. -种超导磁体结构，包括串联电连接的多个超导线线圈，所述超导磁体结构容纳在 布置成冷却线圈的低温恒温器内，其特征在于，来自线圈电端部的超导线连接到根据上述 权利要求任一项的开关。
23. 如权利要求22所述的超导磁体结构，其中，形成所述开关一部分的所述超导线 (10, 12)是线圈的端部。
24. 如权利要求22或23所述的超导磁体结构，其中，所述开关设置在低温恒温器内，设 置有用于控制所述开关的断开和闭合的控制装置，并且该控制装置是可以从低温恒温器外 部控制的。
25. 如权利要求22-24任一项所述的超导磁体结构，其中，所述机械超导开关布置成由 用于冷却磁体的同一冷却装置冷却。
【文档编号】H01L39/14GK104160523SQ201380006249
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月18日 优先权日:2012年2月2日
【发明者】穆哈迈德.拉克里米, A.M.托马斯 申请人:英国西门子公司